CN112111240B - 一种应用于汽车防撞梁的碳纤维多孔丙纶复合材料及制备工艺 - Google Patents

一种应用于汽车防撞梁的碳纤维多孔丙纶复合材料及制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于汽车防撞梁的碳纤维多孔丙纶复合材料及制备工艺，该复合材料包括三层结构：碳纤维‑环氧树脂复合层，由剪切至预设尺寸的碳纤维布表面涂覆环氧树脂和固化剂的混合物固化后得到；多孔丙纶‑环氧树脂复合层，由剪切至预设尺寸的多孔丙纶布表面涂覆环氧树脂和固化剂的混合物固化后得到；面胶层，设置在经打磨抛光处理后的碳纤维‑环氧树脂复合层表面；还公开了该碳纤维多孔丙纶复合材料的制备工艺。与同样厚度的碳纤维材料相比，本发明的复合材料结构在抗弯曲性能方面有明显提高，得到的碳纤维复合材料在汽车防撞领域具有广泛的应用前景。

Description

一种应用于汽车防撞梁的碳纤维多孔丙纶复合材料及制备 工艺
技术领域
本发明涉及碳纤维复合材料领域，具体涉及一种应用于汽车防撞梁的碳纤维多孔丙纶复合材料及制备工艺。
背景技术
汽车防撞梁作为保险杠的主要部件，是低速碰撞中最重要的承载和吸能部件，可以保护乘客以及汽车内部的设备，汽车使用过程中低速碰撞现象时有发生；因此，对汽车防撞梁的研究成为应用研究的重点领域之一。对于汽车防撞梁来说，材料的轻型化和抗冲击力是衡量的重要标准条件。目前，复合材料，特别是碳纤维复合材料具有密度小，比强度高、碰撞吸能性好等优点，对于汽车轻量化研究具有重要意义。
发明专利(公布号CN 108314875 A)“一种用于防撞梁的碳纤维复合材料及其制备方法”公开了一种多层碳纤维复合材料制备的方法，通过使用硝酸、丙酮以及臭氧等化学方法处理碳纤维表面，在传统工艺基础上进行多次成型，增加了多层碳纤维的抗拉强度和较好的层间剪切强度，是一种有效多层碳纤维的制备方法；但其工艺在经过酸(硝酸等)处理后，容易在碳纤维表面留下酸根等杂质，难以除掉，影响其与环氧树脂固化剂等的结合。专利申请(公布号CN106114429A)“复合结构汽车保险杠防撞梁及制造方法”公开了一种复合结构汽车保险杆防撞梁及其制造方法，其结构由钢板层和碳纤维复合材料结合而成，由于其金属与非金属之间的连接受力后会有开裂的隐患，因此，如何解决多层材料之间连接的复合是一项重要内容。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，而研究设计一种应用于汽车防撞梁的碳纤维多孔丙纶复合材料及制备工艺，来解决传统制备工艺会影响碳纤维与环氧树脂固化剂等的结合、复合材料受力后会有开裂隐患的缺点。本发明采用的技术手段如下：
一种应用于汽车防撞梁的碳纤维多孔丙纶复合材料，包括三层结构，依次为碳纤维-环氧树脂复合层、多孔丙纶-环氧树脂复合层和面胶层，所述碳纤维-环氧树脂复合层由碳纤维布表面涂覆环氧树脂和固化剂的混合物固化后制得，所述多孔丙纶-环氧树脂复合层由多孔丙纶布表面涂覆环氧树脂和固化剂的混合物固化后制得，所述面胶层设置在所述碳纤维-环氧树脂复合层表面。
优选地，所述碳纤维-环氧树脂复合层中碳纤维的K数为1K-3K。
优选地，所述多孔丙纶-环氧树脂复合层中的多孔丙纶为丙纶短纤维，多孔丙纶的孔径为1.0-10mm。
优选地，所述面胶层的材料采用透明的环氧树脂类材料(环氧树脂胶)，所述面胶层的厚度为20-30μm。
一种上述任意一项所述碳纤维多孔丙纶复合材料的制备工艺，包括以下步骤：
S1、剪切碳纤维布到预设尺寸，将质量比为2：1的环氧树脂和固化剂的混合物均匀涂覆到碳纤维布上，环氧树脂与固化剂的质量之和与碳纤维布的质量比为0.7-2.2:1，待环氧树脂固化后得到碳纤维-环氧树脂复合层；
S2、剪切多孔丙纶布到预设尺寸，将质量比为2：1的环氧树脂和固化剂混合后涂覆到多孔丙纶布上，环氧树脂与固化剂的质量之和与多孔丙纶布的质量比为0.7-2.2:1，待环氧树脂固化后得到多孔丙纶-环氧树脂复合层；
S3、将所得碳纤维-环氧树脂复合层和多孔丙纶-环氧树脂复合层放入模具中，进行加热和抽真空操作，待加热固化后得到复合样品；
S4、打磨抛光所得复合样品的表面，然后涂抹至少一层碳纤维面胶，得到碳纤维多孔丙纶复合材料防撞梁。
优选地，步骤S1中，环氧树脂固化时间为12-24小时。
优选地，步骤S3中，模具为不锈钢模具或者铝合金模具，模具的熔点不低于600℃，保证模具在长时间高温环境中不会变形。
优选地，步骤S3中，固化温度为80-110℃，固化时间为2-5小时。
与现有技术比较，本发明所述的一种应用于汽车防撞梁的碳纤维多孔丙纶复合材料及制备工艺的有益效果为：本发明中的碳纤维多孔丙纶复合材料制备的防撞梁结构在抗弯曲性能方面有明显提高，同时，由于丙纶的密度小于碳纤维的密度，本发明中的复合材料比纯碳纤维结构材料的质量有明显降低，这在汽车轻量化中具有重要的意义，本发明得到的碳纤维复合材料及结构在汽车防撞领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例中应用于防撞梁的碳纤维多孔丙纶复合结构示意图；
图2是本发明实施例和对比例中弯曲应力对比图。
图1中，1、碳纤维-环氧树脂复合层；2、多孔丙纶-环氧树脂复合层；3、面胶层。
具体实施方式
实施例：
如图1所示，一种应用于汽车防撞梁的碳纤维多孔丙纶复合材料，具体包括：
碳纤维-环氧树脂复合层1，由剪切至预设尺寸的碳纤维布表面涂覆环氧树脂和固化剂的混合物固化后得到，碳纤维-环氧树脂复合层1的厚度为2mm左右；该碳纤维-环氧树脂复合层1中的碳纤维选用K数为3K的碳纤维布。
多孔丙纶-环氧树脂复合层2，由剪切至预设尺寸的多孔丙纶布表面涂覆环氧树脂和固化剂的混合物固化后得到，多孔丙纶-环氧树脂复合层2的厚度为0.5-1mm左右；该多孔丙纶-环氧树脂复合层2中的多孔丙纶材料为短纤维型多孔丙纶，孔径范围在1.0mm-10mm之间。
面胶层3，设置在经打磨抛光处理后的碳纤维-环氧树脂复合层表面。该面胶层的材料采用透明的环氧树脂类材料，面胶层的厚度为20μm-30μm。
上述应用于汽车防撞梁的碳纤维多孔丙纶复合结构的制作工艺，包括如下步骤：
S1、剪切碳纤维K数为3K的碳纤维斜纹布到预设尺寸，将环氧树脂和固化剂按照质量比例为2：1的混合物均匀涂覆到碳纤维斜纹布上，环氧树脂与固化剂的质量之和与碳纤维斜纹布的质量比为0.7-2.2:1，在常温下放置24小时，环氧树脂固化得到碳纤维-环氧树脂复合层。
S2、在步骤S1得到的碳纤维-环氧树脂复合层上，剪切多孔丙纶网格布到预设尺寸，将环氧树脂和固化剂按照质量比例为2：1的混合物均匀涂覆到多孔丙纶网格布上，环氧树脂与固化剂的质量之和与多孔丙纶网格布的质量比为0.7-2.2:1，然后将整体结构放入铝合金模具中，并用螺栓固定。
S3、将模具放入真空烘箱中，设定温度为90摄氏度，时间为4个小时，固化后将得到的结构件取出。
S4、用砂纸在水中打磨结构件表面，然后进行3-4次抛光结构件的表面；最后均匀涂抹一层厚度为25μm的碳纤维面胶，得到碳纤维多孔丙纶复合材料防撞梁。其中防撞梁的厚度约为3mm。
对比例：
应用于汽车防撞梁的碳纤维多孔丙纶复合材料，具体包括：结构为碳纤维-环氧树脂复合层，由剪切至预设尺寸的碳纤维布表面涂覆环氧树脂和固化剂的混合物固化后得到。面胶层，设置在经打磨抛光处理后的碳纤维-环氧树脂复合层表面。该面胶层的材料采用透明的环氧树脂类材料。
将上述材料应用于汽车防撞梁的制作工艺包括如下步骤：
S1、剪切碳纤维K数为3K的碳纤维斜纹布到预设尺寸，将环氧树脂和固化剂按照质量比例为2：1的混合物均匀涂覆到碳纤维斜纹布上，在常温下放置24小时，然后将整体结构放入铝合金模具中，并用螺栓固定。
S2、将模具放入真空烘箱中，设定温度为90摄氏度，时间为4个小时，进一步固化后得到碳纤维结构件。
S3、将结构件取出，用砂纸在水中打磨结构件表面，然后抛光；最后均匀涂抹一层厚度为25μm的碳纤维面胶，得到碳纤维材料防撞梁。其中碳纤维防撞梁的厚度为2.5-3mm。
采用弯曲应力实验的设备：UTM5105电子万能试验机，深圳三思纵横科技股份有限公司。测试样品弯曲应力：取厚度为3mm的样品，切割面积为5mm×60mm随机抽样测试，测试得到的弯曲应力结果如图2所示。在其他条件相同的情况下，图中的14号样品为不含多孔丙纶的纯碳纤维样品(对比例)所能承受的弯曲应力，而15号样品为本发明碳纤维多孔丙纶复合结构样品(实施例)的弯曲应力，可以看到，本发明的复合结构相比较传统的碳纤维样品弯曲应力提高了3到4倍。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种应用于汽车防撞梁的碳纤维多孔丙纶复合材料，其特征在于：包括三层结构，依次为碳纤维-环氧树脂复合层、多孔丙纶-环氧树脂复合层和面胶层，所述碳纤维-环氧树脂复合层由碳纤维布表面涂覆环氧树脂和固化剂的混合物固化后制得，所述多孔丙纶-环氧树脂复合层由多孔丙纶布表面涂覆环氧树脂和固化剂的混合物固化后制得，所述面胶层设置在所述多孔丙纶-环氧树脂复合层表面。
2.根据权利要求1所述的一种应用于汽车防撞梁的碳纤维多孔丙纶复合材料，其特征在于：所述碳纤维-环氧树脂复合层中碳纤维的K数为1K-3K。
3.根据权利要求1所述的一种应用于汽车防撞梁的碳纤维多孔丙纶复合材料，其特征在于：所述多孔丙纶-环氧树脂复合层中的多孔丙纶为丙纶短纤维，多孔丙纶的孔径为1.0-10mm。
4.根据权利要求1所述的一种应用于汽车防撞梁的碳纤维多孔丙纶复合材料，其特征在于：所述面胶层的材料为环氧树脂胶，所述面胶层的厚度为20-30μm。
5.一种基于权利要求1-4中任意一项所述碳纤维多孔丙纶复合材料的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：
S1、剪切碳纤维布到预设尺寸，将质量比为2∶1的环氧树脂和固化剂的混合物均匀涂覆到碳纤维布上，环氧树脂与固化剂的质量之和与碳纤维布的质量比为0.7-2.2∶1，待环氧树脂固化后得到碳纤维-环氧树脂复合层；
S2、剪切多孔丙纶布到预设尺寸，将质量比为2∶1的环氧树脂和固化剂混合后涂覆到多孔丙纶布上，环氧树脂与固化剂的质量之和与多孔丙纶布的质量比为0.7-2.2∶1，待环氧树脂固化后得到多孔丙纶-环氧树脂复合层；
S3、将所得碳纤维-环氧树脂复合层和多孔丙纶-环氧树脂复合层放入模具中，进行加热和抽真空操作，待加热固化后得到复合样品；
S4、打磨抛光所得复合样品的表面，然后涂抹至少一层面胶，得到碳纤维多孔丙纶复合材料防撞梁。
6.根据权利要求5所述的一种碳纤维多孔丙纶复合材料的制备工艺，其特征在于：步骤S1中，环氧树脂固化时间为12-24小时。
7.根据权利要求5所述的一种碳纤维多孔丙纶复合材料的制备工艺，其特征在于：步骤S3中，固化温度为80-110℃，固化时间为2-5小时。
8.根据权利要求5所述的一种碳纤维多孔丙纶复合材料的制备工艺，其特征在于：步骤S3中，模具为不锈钢模具或者铝合金模具，模具的熔点不低于600℃。
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